基于ATmega16的压力传感器温度补偿智能化设计

给出了经过温度补偿后得到的测试结果，整体数据呈现较高的
ｋＰａ，误差为旦学 测量准确度，可以计算出最大测量误差发生在温度为４５℃，标
定压力为１００
×１００％＝０．２９％，准确
图４、图５是压力传感器Ｓｌ、ｓ２分别在温度为４０℃、一ｌＯ ℃补偿前后的测试结果曲线图。图中Ｙ，代表理想标定直线，托 代表补偿后的测试压力，乃代表没有经过补偿测试的压力值。 由图４可知，扎与Ｙ。也存在明显偏移，且位于Ｙ．的下部，表明 压力传感器ｓｌ由常温变化到加℃，输出电压发生偏移，且变 小；经温度补偿后，测试压力曲线扎与Ｙ。几乎重合，且呈现很 好的线性。
度较高的测试要求。
圈４压力传感器Ｓｌ温度补偿前后测试结果 表１温度补偿前压力传感器Ｓ１、ｓ２的输出电压
Ｓｌ ５５
ｓ２
测试温度 传感器
／ｏＣ
Ｓｌ —３０
ｓ２
Ｓｌ 一１５
ｓ２
Ｓ１ ３５
５２
一０．３２２ ０ —０．０５９ ０
１１．９１６０ １２．３５８ ０
２４．１９０ ０ ２４．８０２ ０
３６．５０４ ０ ３７．２９３ ０
连时，必须接一个４．７ ｋＱ的上拉电阻。
ＡＴｍｅｇａｌ６接口电路图，见图２。
曰
ｖｃｃ。
上
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一
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ＰＢｌ
１
ＰＢ２
ＰＢ２
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ＰＢ３
ＰＢ４
ＸＤＵＴ ＸＩＮ
ＳＤＩ ＳＤ０ ＳＣＵ（
ＰＢ５ ＰＢ６ ＰＢ７
Ｙ。口
ＲＥＳＥＴ Ｖｃｃ ｏ— ＶＣＣ
ＣＳ５５３２
ＧＮＤ ）ｆｒＡｌ２
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智能化传感器电路总体结构见图ｌ。
圈１ 智能化传感器电路总体结构 １．１ Ａ／Ｄ转换器
综合考虑模数转换器的分辨率、量化误差、转换速率等技 术指标，以及实现的准确度，模数转换器选择ＣＳ５５３２。
文中选用的是２４位的Ａ／Ｄ，它可以对ｍＶ级的电压信号直
第１０期
胡园园等：基于ＡＴｍｅｇａｌ６的压力传感器温度补偿智能化设计
呦ｓｏｒ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｉｓ ０．２９％．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ Ｃａｎ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｉｆｔ ｗｅｌｌ，ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ；ＡＴｍｅｇａｌ６ ｒｎｉｃｒｏｃｏｎｔｒｅｌｌｅｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ
ＨＵ Ｙｕａｎ—ｙｕａｎ，ＬＩ Ｈｕａｉ－ｊｉａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｄａ＿ｊｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｈｕａｉｂｅｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕａｉｂｓｉ ２３５０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｉｍｅｄ ａｔ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ
ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｉｆｔ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｔｏｏｋ ＡＴｍｅｇａｌ６ ｃｈｉｐ聃ｔｈｅ ｃｏｒｅ，ｗｉｔｈ ＣＳ５５３２鼬ｔｈｅ ＡＤＣ，ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎｓ ｕｓｅｄ ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｉｆｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ＷａＳ ｑｕａｄｒａｔｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ．Ｅｘｐｅｒｉ－ ｍｅｎｔａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ ｉｓ ｆｒｏｍ一３０℃ｔｏ ５５℃，ａｆｔｅｒ ｒｅｐｅａｔｅｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｅｌｌ＇Ｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ
０．２５
９９．８２
１９９．７０
２９９．５６
３９９．７４
４９９。７７
６００．０６
０．１８
９９．７４
１９９．６７
２９９．３２
３９９．７７
４９９．７０
５９９．９７
０．２ｌ
９９．７３
１９９．５４
２９９．５６
３９９．８５
４９９．８２
６００．０４
Ｏ．１９
９９．７９
１９９．６０
２９９．５７
３９９．８５
４９９．７０
、ＲＥＳＥＴ
Ｃ２二
口Ｙ２
一ｑ１
——
上殴 ）ｆｒＡＩ．１ ＰＤＯ ＰＤｌ ＰＤｌ ＰＤ２ ＰＤ２ ＰＤ４ ＰＤ３ ｊ蛋量
ＰＤ４
．
通信单元
圈
与单片机
接口电路图
的初始化，模数转换，温度补偿，串口通信等部分ｍ引。程序流
数据采集是通过串口线将硬件电路与计算机进行连接，进
行上位机显示，利用的是 一
通信协议。 一
是美
程图见图３。
ｎ晤丽丽矾
国电子工业协会 （
）制定的一
种串行物理接口标准。对于一般双工通信，仅需几条信号线就
压力传感器．温度 传感器初始化
可实现，如条发送线、ｌ条接收线及条地线。 一
准规定的数据传输速率为
、
、
ｂｉ 、
、
、ｌ ２００
、
、
标
、 、
正示温度和压力值
‘ 、
实验测试的压力值及温度值由串 调试助手实时显示，波
℃、４５℃、５５℃的测量数值，表１给出了温度补偿前压力传感
器Ｓｌ、Ｓ２的输出电压数据，表２给出了利用单片机进行温度补
偿后压力传感器Ｓｌ、Ｓ２的测试结果。
３．２实验结果分析
从表１测试数据可以看出，在压力为０ ｋＰａ时，零点输出电
压发生了明显的漂移，并且随温度增加零点输出电压整体呈现
减小的趋势，说明此压力传感器具有负的零点漂移系数。表２
０引言 利用硅的压阻效应和微电子技术的硅压阻压力传感器，具
有灵敏度高、线性好、过载能力强、便于批量生产等优点¨Ｊ。但 由于半导体材料本身和工艺方面的原因，使压力传感器的零点 和灵敏度易随温度发生漂移。零点温度漂移是由于电阻的掺 杂不同而导致电阻的温度系数不同，灵敏度温度漂移主要是由 于压阻系数易随温度的升高而减小，影响了硅压力传感器的测 量精度，限制了它在一些精度要求比较高领域的应用，所以硅 传感器温度补偿很重要Ｂｊ。传统的温度补偿方法一般利用电 阻网络，达到补偿的效果，但这种方法不灵活且补偿精度不高。 智能化的补偿方法是将传感器技术和计算机技术相结合，利用 软件进行修正，灵活且补偿效果好”Ｊ。文中提出基于ＡＴ－ ｍｅｇａｌ６微处理器的压力传感器温度补偿智能化的设计，整个电 路集成度高且选用低温漂的元器件，避免了额外的温度漂移引 起的测量误差。并且将传感器技术与计算机技术很好地结合 起来，利用软件实现非线性修正和温度漂移补偿。这种方法不 但高效，而且补偿精度高。 ｌ传感器的智能化设计
特率选择
。
２程序流程图
文中提出的传感器的智能化设计，避免了对传感器直接进
行任何硬件补偿，而是用程序直接将传感器输出经
转换成
数字量后进行处理。整个程序包含了温度传感器、压力传感器
万方数据
压力传感器的非线 性修正和温度补偿
０１’堕＿－。塞＿－－。。．＿＿－＿）一
图 程序流程圈
１０
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
ＡＴｍｅｇａｌ６为核心芯片，以ＣＳ５５３２为模数转换器，整个电路选用低温漂的元件，并且在软件补偿中采用二次曲面法。实验
温度范围为一３０一５５℃，经过反复实验，得出智能传感器在不同温度下最大测量误差为ｏ．２９％的结论。实验结果表明：
此智能化的设计可以很好地补偿压力传感器的温度漂移，提高传感器的性能及测量准确度。
ｘ、３２×、６４×，文中选取增益１×；具有四阶△一＝调制器，后 Ｆｌａｓｈ程序存储器，可反复擦写１０４次；支持独立锁定位的Ｂｏｏｔ
接可编程数字滤波器，提供２０个可选择的数字输出字速率，包 代码区，可以通过片上的Ｂｏｏｔ程序实现系统内编程，具有真正
括了一个简单的三线串行接口，方便与微处理器之间的通讯。 的同时读／写操作能力；片上同时具有５１２ Ｂ的、可以反复擦写
该设计电路通过ＣＳ５５３２的三线串行接口与ＡＴｍｅｇａｌ６的
通信，它可以通过编程分辨率位设置最小分辨率，实验中设置 ＰＢ口进行连接，使模数转换器采集到的数据存储在单片机内，
的最小分辨率为０．５℃．其一个工作周期可分为２个部分，即 并经过非线性修正和温度补偿等处理，由ＰＤ口经过ＭＡＸ２３２
温度检测和数据处理。值得注意的是，当ＤＱ引脚与单片机相 进行电平转换后，通过串口与计算机通信。ＣＳ５５３２与单片机
２０１０年 第ｌＯ期
仪表技术与传ｌｌ器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
２０ｌＯ Ｎｏ．１０

基于ＡＴｍｅｇａｌ６的压力传感器温度补偿智能化设计
胡园园，李淮江，王大军
（淮北师范大学物理与电子信息学院，安徽淮北２３５０００）
摘要：针对硅压阻式压力传感器的温度漂移现象，提出了一种压力传感器温度补偿智能化的设计方法。该设计以
ＯｃＬ ２０１０
３压力传感器测试结果
３．１实验测试数据
实验中，使用准确度为０．０５级的活塞式压力计对压力传
感器进行标定。文中给出了２只传感器ｓｌ、Ｓ２的测试结果，整
个实验采取正反行程反复测量３次，最后取平均值的方法（二
次曲面法）得到实验结果。通过实验，给出温度补偿前后压力
传感器在标定压力Ｐ为０—７００ ｋＰａ，温度为一３０℃、一１５℃、３５
９
接进行模数转换。它包含一个多路转换开关，可以对转换器的 １．３微处理器
两个通道进行选择，文中选用通道１；具有极低噪声、斩波稳定
ＡＴｍｅｇａｌ６具有速度快、片上外设资源丰富、功耗低、性价
的仪表放大器，可选择的增益分别为１×、２×、３×、４×、８×、１６ 比高、保密性好等特点。该单片机具有１６ ＫＢ的系统内可编程
提出的传感器温度补偿智能化的设计主要包括以下几个 部分：压力传感器、信号调理电路、微处理器、数字温度传感器、
基金项目：安徽省教育厅自然科学研究重点项目（Ⅺ２００８Ａ０５９） 收稿日期：２０１０—０３—０９收修改稿日期：２０１０—０５—０６
万方数据
通信单元ＨＪ。它的整个工作过程是：首先压力传感器输出信 号，经过滤波、模数转换后将数字信号送入单片机，同时单片机 根据采集到的温度值，对经过转换后的数字信号进行温度补偿 处理，通过串口与计算机通信，进行上位机显示。它是集微处 理器、传感器信号处理等功能于一体的，具有信息获取、处理等 多功能的系统，实现了智能化设计。设计的两大特点：电路设 计集成度高，选用的是２４位的Ａ／Ｄ，减少了放大电路的设计。 简化了电路，并且单片机选用ＡＴｍｅｇａｌ６，它具有丰富的片上资 源，无需外扩ＥＥＰＲＯＭ和ＲＡＭ；所选元件都具有低的温度漂 移。
ＣＳ５５３２的非线性误差达７×１０一，且具有非常低的温度漂移，
１０５次的数据ＥＥＰＲＯＭ和１ ＫＢ的数据ＳＲＡＭ．片上拥有２个独
是非常理想的元件。
立预分频和比较器功能的８位定时器／计数器；１个具有预分
１．２数字温度传感器
频、比较功能和捕捉功能的１６位定时器／计数器等。
ＤＳｌ８８２０是一线制的温度传感器，依靠一个单线端口进行
关键词：压力传感器；ＡＴｍｅｇａｌ６单片机；温度补偿；智能化设计
中图分类号：ＴＰ２１２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２—１８４１（２０１０）１０—０００８一０４
Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＴｍｅｇａｌ６
６００．４７
Ｏ．０７
４８．８３５ ０ ４９．８００ ０
６１．１８４ ０ ６２．３２２ ０
表２利用单片机进行温度补偿后传感器Ｓｌ、ｓ２的测试结果
７３．５２４ ０ ７４．８４１ ０
一——————————————————————型苎堡塑竺！——一一 Ｐ＝Ｏ
Ｐ＝１００ ｋＰａ Ｐ＝２００ ｋＰａ Ｐ＝３００ ｋＰａ Ｐ＝４００ ｋＰａ Ｐ＝５００ ｋＰａ Ｐ＝６００ ｋＰａ